小麦麸皮戊聚糖提取、功效及应用研究进展

李昕彤，王 硕，刘 峰，唐晓珍*

（1.山东农业大学 食品科学与工程学院，山东泰安 271018；2.山东百瑞佳食品股份有限公司，山东莱州 261400）

小麦是我国主要的农作物之一，随着小麦应用的不断拓展和小麦加工技术的持续完善，小麦产品的深加工是小麦加工产业的必然趋势。小麦麸皮富含戊聚糖、纤维素等多种功能性多糖，是小麦加工的副产物，目前主要用作饲料，附加值较低。随着多糖研究成为热点，作为小麦麸皮中主要活性物质的戊聚糖受到广泛关注。

戊聚糖（又称阿拉伯木聚糖）是细胞壁多糖的重要组成成分，是一种重要的谷物非淀粉多糖，主要由阿拉伯糖（Ara）和木糖（Xyl）组成，两种单糖含量占到60%以上[1]。戊聚糖具有多种生理活性，包括调节胃肠道菌群、促进肠道内双歧杆菌及乳杆菌的繁殖[2-4]，可降血糖[5-7]，还有提高免疫及抗肿瘤等[8-10]。小麦麸皮是目前戊聚糖的主要来源之一，彩粒小麦是种皮或糊粉层含丰富天然花色苷类化合物的优质小麦品种，与普通小麦相比，其膳食纤维、矿物质、蛋白质和维生素含量更丰富，氨基酸组成更合理[11]，且彩麦麸皮[12]中戊聚糖比普通小麦麸皮和大麦麸皮含量高，具备深入开发的价值，但彩麦麸皮戊聚糖研究很少，可借鉴普通小麦麸皮戊聚糖研究进展。

目前，常用的戊聚糖提取方法有水提法[13-15]、酶提法[16-22]、碱提法[14,16,23]、超声提取法[24-27]，高温酸水解法、蒸汽爆破法和超高压提取等新兴方法[28-32]也逐渐应用于戊聚糖提取。研究发现，从小麦加工副产物中提取出来的戊聚糖在面包面团、曲奇饼干等面制品[33-38]及根据戊聚糖的溶液性质在饮品如啤酒[39-43]中有了新进展，同时张久亚[44]、侯慧丽[45]、ALI[46]等人拓展了戊聚糖在奶片、肉食鸡饲料及果蔬保鲜中的应用范围。

1 彩麦麸皮中戊聚糖的提取方法

1.1 水提法

根据水溶性不同，戊聚糖可分为水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖[13]。秦鹏飞[14]利用水热法从小麦麸皮中提取戊聚糖，最佳提取工艺参数为：水热温度150oC，水热时间15 h，固液比1∶10，此时戊聚糖的提取率27.5%。徐晶晶等[15]以提取天然色素后的黑粒小麦麸皮残渣为原料，提取其中水溶性戊聚糖，并对提取条件进行了优化，料液比1∶25（g/mL）、提取温度80 ℃、提取时间75 min，提取率为1.4%。该工艺操作简单，收率高，不使用有害试剂和原料，过程清洁无污染。

1.2 酶提法

利用生物酶制剂提取彩麦麸皮中的戊聚糖也是一种常用的方式。何欢等[16]的研究中小麦麸皮水溶性戊聚糖的最佳提取工艺为反应温度62 ℃、反应时间1.5 h、酶浓度0.55%、pH为4.2，提取率为15.3%。陈凤莲[17]将小麦麸皮中的淀粉和蛋白质分别用α-淀粉酶和碱性蛋白酶降解，通过水洗过滤分离得到小麦麸皮戊聚糖，含量达到34.51%。付元芳等[18]研究发现，木聚糖酶提取黑小麦中戊聚糖比纤维素酶提取得率高，分别为4.83%、2.33%，可能是由于木聚糖酶能够渗透至细胞壁的网状结构，水解木糖主链间β-1,4糖苷键，将水不溶性戊聚糖降解为水溶性戊聚糖，从而提高了出产率[19]。孙元琳等[20]以黑小麦麦麸为原料，优化了戊聚糖酶提取水不溶性戊聚糖的工艺条件为加酶量12 mg/10 g（m∶m=酶∶原料）、提取温度60 ℃、提取时间90 min、溶液pH为6.0及料液比1∶10（g/mL），提取率为4.17%。在此研究中，作为一种细胞壁物质分解酶，戊聚糖酶可使黑小麦麸皮细胞壁发生降解而变得松散，有利于戊聚糖溶出，并使麸皮中的水不溶性戊聚糖发生降解，从而使水溶性戊聚糖提取率增加[21]。

酶提法条件温和、安全无毒，利用该法提取的戊聚糖其纤维天然结构破坏性低，口感好，功能特性得到了较好保留。但是酶法利用和推广还存在一定的缺陷，如缺乏高效稳定类酶制剂以及酶制剂的成本较高等[22]。

1.3 碱提法

碱提法是使用较为广泛的提取麦麸戊聚糖方法，其原理为通过将麦麸在NaOH、Ba(OH)2等碱性介质中浸泡，破坏细胞壁聚合物间的次级键使其溶解，分离后得到水不溶性戊聚糖。何欢等[16]利用NaOH溶液从小麦麸皮中提取碱溶性戊聚糖，在料液比1∶20、温度55 ℃、作用时间1.5 h、碱浓度20%条件下达到最佳提取条件，提取率17.4%。徐晶晶[15]以黑粒小麦麸皮中提取的粗膳食纤维为原料，用碱液浸提法提取水不溶性戊聚糖，得到最佳碱液浸提条件为碱浓度1.4%、提取温度100 ℃、碱提时间70 min，此时水不溶性戊聚糖得率为7.3%，显著高于水提法的1.4%提取率，同时能将蛋白质提取出来，提取率为6.2%。杨莎等[23]分别使用NaOH和Ba(OH)2提取阿拉伯木聚糖，发现经Ba(OH)2提取获得的阿拉伯木聚糖纯度更高，可达87.38%，可能是由于Ba2+的存在使碱提法的特异选择性变高。但是碱提法也有一定缺陷，如提取时间较长、碱液耗量大、碱性废水处理困难且易污染环境，需要进一步研究解决。

1.4 超声提取法

超声提取的原理为提取过程中因超声波产生的强烈振动引起细胞结构的变化，加速扩散溶解速度，从而达到快速高效提取的目的。目前研究较多的是将超声波与单一提取方法结合，提高提取效率。HOLLMANN等[24]利用超声波辅助碱法麦麸中提取木聚糖，在60 ℃条件下仅需10 min即能分离出木聚糖，相比单一的减法处理，减少了提取时间，但提取率并无明显提升。WANG等[25]利用超声波辅助酶法从麦麸中提取戊聚糖，在原料浓度50 g/L，酶用量4.5 g/L，提取温度50 ℃，提取时间70 min，超声功率180 W的最佳提取条件下，戊聚糖产量为（14.26±0.17）%，麦麸中戊聚糖提取率显著提高。范玲等[26]将超声波与碱法提取相结合，以NaOH溶液作浸提液，在超声功率300 W，超声时间30 min，碱液质量分数2%，碱提时间2 h，碱提温度55 ℃的最佳提取条件下，麦麸酚基木聚糖得率最高为38.73%，其中水溶性酚基木聚糖得率为29.05%。超声波提取可以显著提高戊聚糖提取率，但是由于超声波具有较强的剪切作用，长时间的超声作用会使大分子的多糖断裂，提取率反而下降[27]。此外，超声波产生的环境噪声，可能使其无法应用于大规模生产。

1.5 其他方法

高温酸水解法、蒸汽爆破法和超高压提取等也逐渐应用于戊聚糖提取中。丁长河等[28]采用高温酸水解法提取麸皮中戊聚糖，在高温条件下以少量酸作为催化剂对半纤维素进行水解，促进了戊聚糖的溶出。贺永惠等[29]证实蒸汽爆破技术有助于提高小麦麸皮水溶性戊聚糖的含量，与未处理麸皮相比，小麦麸皮中水溶性戊聚糖质量分数提高了10.8倍。王晓华等[30]以超高压结合酶法提取小麦麸皮低聚木糖，弥补了单纯利用酶法耗时长、提取率较低的缺点，在液料比值30 mL/g，酶质量浓度3.5 g/L，压力大小200 MPa，保压温度35 ℃，保压时间25 min的最优工艺条件下，测得小麦麸皮低聚木糖提取率为86.10%。该方法具有能耗低、对提取成分破坏小、提取纯度好、效率高等特点。

虽然上述方法可以有效提高戊聚糖得率，但均存在一定缺陷。例如酸法提取时，强酸会对戊聚糖结构造成破坏，一小部分戊聚糖可能会降解为低分子量化合物，反而降低提取率[31]，此外该方法副反应多，且强酸的腐蚀性易对产品质量产生影响。蒸汽爆破法无污染，但能耗大，成本较高，条件要求苛刻。若蒸汽爆破时间过长，物料中的大分子碳水化合物会降解生成酸类、芳香类和呋喃类等物质[32]，导致小麦麸皮总戊聚糖含量迅速减少。

2 戊聚糖的功能活性研究

戊聚糖具有与膳食纤维和活性多糖相似的功能特性，了解戊聚糖的功能活性是将其应用在不同领域的前提。目前，国内外学者已发现戊聚糖具有改善胃肠道菌群、降血糖、免疫与抗癌等益生活特性。

2.1 肠道益生活性

戊聚糖属于膳食纤维，因此具有一定的肠道益生活性。研究表明，木聚糖骨架中的阿拉伯糖基取代位置可以改变肠道中的微生物种群[2]。PAESANI等[3]在体外和体内试验中发现，水溶性戊聚糖的提取物显示出能够增加乳杆菌和双歧杆菌等肠道微生物中有益细菌的数量并能减少梭菌等病原体的数量。但是，如果在饮食过程中摄入大量戊聚糖，则会产生肠胃气胀等轻微不良反应[4]。

2.2 降血糖

可溶性戊聚糖可使胃排空时间延长，小肠运输速度减慢，葡萄糖扩散速率降低，有助于降低葡萄糖的吸收和餐后的血糖反应[5]。沈丽娟等[6]发现2型糖尿病小鼠肠道菌群紊乱可被小麦戊聚糖制剂有效调节，小麦戊聚糖能降低血糖水平，可以作为糖尿病患者碳水化合物的主要来源。此外，戊聚糖还可以作为载体靶向输送胰岛素以达到降血糖的作用，MORALES-BURGOS等[7]发现载有胰岛素的戊聚糖微球（50 UI/kg）可使患糖尿病大鼠的血糖水平降低39%，并且在口服后18 h效果最大，此时胰岛素仍有生物活性。

2.3 免疫与抗癌

戊聚糖可以改善特异及非特异性的免疫反应，其抗肿瘤活性可以通过免疫应答的改善来介导，因此被认为是一种具有免疫调节活性的抗肿瘤物质[8]。ZHOU等[9]研究发现，碱法和酶法提取小麦麸皮中的戊聚糖都可以作为天然免疫调节剂的良好来源，碱提法比酶提法的戊聚糖具有更高的巨噬细胞吞噬功能和迟发型超敏反应。LI等[10]研究发现戊聚糖的免疫活性与它的低分子量（＜25 kDa）和高分支取代度（0.81±0.01）有关，并推测戊聚糖发出各种免疫细胞激活信号可能和脂多糖刺激细胞方式相似。

3 戊聚糖在食品工业中的应用

目前，对利用戊聚糖深加工成食品的研究较少，当前市场上仅有戊聚糖饮料、戊聚糖营养粉等相关产品，形式较为单一，产品的风味和口感不能被消费者普遍接受。因此利用小麦麸皮资源中的戊聚糖加工成高附加值的新产品是小麦麸皮深加工及综合利用的重要途径，对小麦资源深加工应用具有重要意义。

3.1 戊聚糖在面制品中的应用

戊聚糖在面制品中的应用研究较多。将戊聚糖添加到面包、饼干等面制品的面团中，可在一定程度上改善面制品的质构和感官特性，同时能够赋予面制品降血压、降血糖及改善肠道菌群等功能。

郑学玲[33]发现面团的流变学特性和面包烘焙品质与小麦麸皮戊聚糖的持水性、高黏度、氧化交联形成凝胶及乳化稳定等性质存在密切关系。水溶性戊聚糖可以提高面团的粉质吸水量，增大面包体积并改善面包的内部质构。夏洁等[34]利用木聚糖酶处理小麦麸皮，使其中不溶性戊聚糖降解为可溶性戊聚糖，并且麸皮水解产物可以改善面团和面包品质，提高麸皮戊聚糖的利用率。ARIF等[35]研究表明，膳食纤维中的水溶性戊聚糖能提高面包品质，在硬质小麦粉中添加水溶性戊聚糖，得到的面包体积和比原面包体积增加了1%～5%，面包屑硬度降低了5%～20%。GIULILA等[36]研究发现，含戊聚糖的面包组（107±4.6）mg/dL与精制小麦面包组（121±5.2）mg /dL相比，测试者食用前后的血糖水平有显著性差异，表明戊聚糖能够改善餐后血糖水平，有一定的抑制肥胖的功效，由于戊聚糖或阿拉伯木聚糖凝胶具有一定的黏度特性，可以延缓胃排空速度，缓慢消化淀粉以增加饱腹感，降低碳水化合物摄入量[37]。张强等[38]将戊聚糖应用于饼干制作中，在戊聚糖粉添加量10.85%，绵白糖添加量27.58%，烘焙时间18.93 min的条件下，制作的戊聚糖曲奇饼干不仅能保证传统曲奇饼干的口感和风味，还能为人体补充戊聚糖膳食纤维。

3.2 戊聚糖在饮品中的应用

戊聚糖的溶液性质决定了其在饮品中具有良好的应用前景。戊聚糖主要是通过分子间的氢键作用在溶液中聚集，并且随着浓度增加，其分子聚集倾向增大[39]。在存在某些化学或酶促自由基生成剂的情况下，戊聚糖还可以通过阿魏酸氧化交联反应形成高粘度溶液[40]。

水溶性戊聚糖具有良好的保水能力、起泡性能和溶胀能力，可用作黏度增强剂，稳定剂和质地增强剂[41]。DERVILLY等[42]研究发现适量的阿拉伯木聚糖能够增加啤酒的醇厚性，提高啤酒的泡持性，但高浓度戊聚糖对啤酒的非生物稳定性有影响。李杰[43]探究了戊聚糖在浑浊小麦啤酒及除沫啤酒中的分布情况及分子结构，发现啤酒酿造原料大、小麦中戊聚糖有改善浑浊小麦啤酒的酿造工艺及品质的作用。目前，戊聚糖饮品在啤酒方面研究应用较多，其溶液性质使其未来在果汁、酸奶等其他风味营养性饮品中存在广阔前景。

3.3 戊聚糖在其他方面中的应用

张久亚[44]将戊聚糖和奶粉作为原料，研制了一种具有戊聚糖和奶粉营养价值且口感易被人们接受的新型奶片，包括咀嚼奶片和泡腾奶片两类。在饲料方面，侯慧丽等人[45]研究得出，在玉米-豆粕型日粮中添加40 mg/kg水溶性戊聚糖可以促进肉鸡器官发育，改善肉鸡体重。在保鲜方面，ALI等[46]发现在苹果表面涂有含小麦麸皮戊聚糖的复合涂层材料，能使其采后贮藏寿命延长并防止香气损失，有效保持其感官特性。

戊聚糖具有降脂降糖和改善肠道菌群的作用，将其添加到食品中，能够在保证口感和风味的基础上，满足消费者市场对益生活性产品的需求，具有良好的发展潜力。小麦麸皮戊聚糖已开始应用于面制品及饮品行业中，在肉制品及糖果制品中尚处于研究开发阶段，在动物饲料及果蔬保鲜方面也发挥了一定的作用。但戊聚糖开发利用的产品形式仍然不够广泛，需要进一步研究开发。

4 展望

小麦作为我国重要的谷物资源，其优质的营养使其具有巨大的发展前景。戊聚糖作为小麦麸皮中的高益生活性成分也备受关注，但对戊聚糖在食品工业中的应用研究较少，仍需要深入研究。随着科学技术的的发展及人们对戊聚糖认识的加深，未来戊聚糖将会更广泛地应用在食品的各个领域，在保证口感和风味的基础上，带来更大的经济和社会效益。